[LT] Pasiūlymas yra iš medžiagų metrologijos srities, o būtent - puslaidininkinių medžiagų optinių savybių matavimo srities, ir gali būti panaudotas nustatyti priverstinės spinduliuotės puslaidininkinėse medžiagose atsiradimui optinio kaupinimo sąlygomis. Pasiūlytas būdas gali būti taikomas medžiagų, skirtų puslaidininkinių lazerių gamybai, charakterizavimui bei šių medžiagų gamybos technologijos įvertinimui. Pasiūlytame priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos nustatymo puslaidininkiuose būde, kuriame tiriamąjį puslaidininkinį kristalą optiškai kaupina impulsiniu lazerinės spinduliuotės pluošteliu, naujai puslaidininkinį kristalą optiškai kaupina dviem koherentiškais impulsiniais lazerinės spinduliuotės pluošteliais, kuriais vienu metu apšviečia tiriamąjį objektą ir jame užrašo nepusiausvirųjų krūvininkų dinaminę gardelę, šią gardelę zonduoja kitu optiniu pluošteliu, matuoja dinaminės gardelės difrakcinis efektyvumą prie įvairių kaupinimo pluoštelio energijos tankių, ir priverstinės spinduliuotės slenkstinę energiją nustato pagal kaupinimo pluoštelio energijos vertę, prie kurios stebimas difrakcinio efektyvumo pilnas įsotinimas. Galimas kitas pasiūlytojo būdo variantas, kai naujai matuoja dinaminės gardelės difrakcinio efektyvumo kinetiką prie įvairių kaupinimo pluoštelio energijos tankių, o priverstinės spinduliuotės slenkstinę energiją nustato pagal kaupinimo energiją, prie kurios difrakcinio efektyvumo kinetikoje atsiranda greitoji irimo komponentė, kurios relaksacijos laikas atkartoja žadinančiojo pluoštelio impulso trukmę.
[EN] The invention is intended for metrology of semiconductor materials for optoelectronics, in particularly, for determination of stimulated emission threshold of semiconductor layers and structures under optical pumping. It can be used for characterization of semiconductor crystals and structures, designed for manufacturing of semiconductor lasers. A method for determination of stimulated emission threshold of semiconductors uses for optical pumping two coherent beams which induce spatially modulated free carrier pattern in a semiconductor, monitor the diffraction efficiency of the modulated structure by optical probe pulse, measure the diffraction efficiency of the probe beam at various pumping beam energies, and determine the stimulated emission threshold of a semiconductor as the optical pumping energy, at which the saturation of diffraction efficiency takes place. Another variation of the method is based on measurement of the decay kinetics of probe beam diffraction efficiency at various pumping beam energies, and the stimulated emission threshold is attributed to pumping energy, at which the fast decay component emerges in decay kinetics, and the relaxation time of this component duplicates the temporal shape of the pumping laser pulse.
[0001] Pasiūlymas yra iš medžiagų metrologijos srities, o būtent - puslaidininkinių medžiagų optinių savybių matavimo srities, ir gali būti panaudotas nustatyti priverstinės spinduliuotės atsiradimą puslaidininkinėse medžiagose optinio kaupinimo sąlygomis. Pasiūlytas būdas gali būti taikomas medžiagų, skirtų puslaidininkinių lazerių gamybai, charakterizavimui bei šių medžiagų gamybos technologijos įvertinimui.
[0002] Žinomas optinis būdas priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos nustatymui optinio kaupinimo metodu, aprašytas knygoje "Group III Nitride Semiconductor Compounds:
[0003] Physics and Applications. Ed. B.Gil, Clarendon Press, Oxford, 1998 , psl.213-[J. J. Song, W. Shan, "Optical properties and lasing in GaN". In "Goup III Nitride Semiconductor Compounds", ed. By Bernard Gil, Clarendon Press, Oxford, 1998]. Tiriamoji medžiaga kaupinama lazeriniu impulsu, kurio kvanto energija yra didesnė nei draustinės energijos juostos plotis, todėl sukuriama didelė nepusiausvirųjų krūvininkų koncentracija. Naudojamos kelios optinės konfigūracijos, kurioms bendras yra tiriamojo kristalo paviršiaus žadinimas fokusuotu pluošteliu. Vienoje konfigūracijoje fotoemisijos signalas registruojamas iš bandinio briaunos, statmenos paviršiui, o kitoje šis signalas registruojamas atbulinės sklaidos kryptimi nuo žadinamojo paviršiaus. Abiem atvejais matuojamas fotoemisijos spektras bei jo intensyvumas prie įvairių žadinančio spindulio energijos tankių. Priverstinės rekombinacijos atsiradimo požymiai yra emisijos linijos spektro susiaurėjimas ir šios spektro linijos intensyvumo supertiesinė priklausomybė nuo žadinimo energijos. Priverstinės rekombinacijos slenkstinė energija nustatoma iš emisijos intensyvumo priklausomybės nuo žadinimo galios tankio ir atitinka žadinimo galios vertę, ties kuria prasideda emisijos intensyvumo supertiesinė augimo sparta.
[0004] Žinomo būdo analogo trūkumas yra tai, kad jį naudojant yra būtinas bandinio briaunos, statmenos žadinimo paviršiui, optinis paruošimas ir nuo šios briaunos kokybės priklausanti priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos vertė. Registruojant emisijos signalą atbulinės sklaidos kryptimi, priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos vertė dažnai priklauso nuo fokusuojamo žadinimo pluoštelio skerspjūvio ploto ties bandiniu (dėl pastarojo mikrostruktūros nevienalytiškumo).
[0005] Analogo trūkumams pašalinti priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos nustatymo būde, kuriame optinį kaupinimo kanalą sudaro impulsinis lazerinis pluoštelis, kuris apšviečia tiriamąjį puslaidininkį, naujai optinio kaupinimo kanale papildomai įveda antrąjį optinio kaupinimo pluoštelį, sudaro du optinio kaupinimo kanalus, kuriais vienu metu apšviečia tiriamojo objekto paviršių ir jame užrašo nepusiausvirųjų krūvininkų dinaminę gardelę, papildomai įveda zonduojantį optinį pluoštelį, kuriuo matuoja dinaminės gardelės difrakcinį efektyvumą prie įvairių kaupinimo pluoštelio energijos tankių, ir priverstinės spinduliuotės slenkstinę energiją nustato iš kaupinimo pluoštelio energijos vertės, prie kurios stebimas difrakcinio efektyvumo pilnas įsisotinimas.
[0006] Siūlomas būdas priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos Es nustatymui remiasi rekombinacijos spartos priklausomybės nuo šviesa sukuriamų krūvininkų koncentracijos matavimu. Šiame būde momentinė nepusiausvirųjų krūvininkų koncentracija N, kuri auga didinant kaupinimo energiją E, apsprendžia dinaminių gardelių difrakcinio efektyvumo vertę η~N2 ir jos augimą η~E2 sąlyginai žemų kaupinimo energijų intervale E < Es. Pasiekus pakankamai didelę koncentraciją, kai kvazi-Fermi lygmenys atsiranda juostose, tarpjuostinės rekombinacijos sparta slenkstiškai išauga ir rekombinacijos laikas sutrumpėja. Išaugusi rekombinacinė sparta neleidžia sukaupti daugiau nepusiausvirųjų krūvininkų juostose. Kai pasiekiama priverstinės spinduliuotės slenkstinė energija Es, nei koncentracija N, nei η nebedidėja energijų intervale E > Es.
[0007] Siūlomo būdo realizavimui nereikia nei specialaus bandinio briaunų paruošimo, nei spektrometrinės įrangos.
[0008] Priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos nustatymo būdą paaiškina optinė schema (Fig. 1), kurią sudaro lazerinis impulsinės spinduliuotės šaltinis 1, optinio kaupinimo pirminis kanalas 2, optinis daliklis 3, optinio kaupinimo pluoštelio dalis 4, pluoštelio daliklis 5, du optinio žadinimo kanalai 6 ir 7, tiriamas puslaidininkis 8, zonduojančio optinės spinduliuotės šaltinis 9, optinio vėlinimo įrenginys 10, optinio zondavimo kanalas 11, difragavusioji zondavimo pluoštelio dalis 12, fotodetektoriai FD 1, FD2, FD3 ir duomenų surinkimo blokas 13. Schemos elementu paskirtis - suformuoti optinio žadinimo kanalus, nukreipti juos į tiriamąjį puslaidininkio kristalą, zonduojančiu pluošteliu sekti vyksmus tiriamajame kristale ir registruoti jų ypatumus pagal zonduojančio pluoštelio difragavusios dalies charakteristikas.
[0009] Puslaidininkinių medžiagų fotoelektrinių parametrų holografinis matavimo būdas veikia sekančiai. Lazerinės spinduliuotės pluoštelis iš pirmojo šaltinio 1 (pvz. impulsinio pikosekundinio lazerio spinduliuotė, kurios kvanto energija hv = 3.53 eV) sklinda optinio kaupinimo pirminiu kanalu 2, padalijamas pluoštelio dalikliu 5 į du optinio žadinimo kanalus 6 ir 7, kurie susikerta tiriamojo puslaidininkio bandinyje 8 (pvz. galio nitrido sluoksnyje, kurio draustinės juostos energija Eg = 3.51 eV). Šviesos kvantai yra pilnai sugeriami ir sukuria erdviškai moduliuotą nepusiausvirųjų krūvininkų pasiskirstymą. Šie krūvininkai erdviškai pakeičia tiriamojo puslaidininkio 8 optines savybes - lūžio rodiklį arba (ir) sugerties koeficientą, tuo sudarydami dinaminę difrakcinę gardelę tiriamajame puslaidininkyje. Zondavimo spinduliuotės pluoštelis iš antrojo šaltinio 9, kurio bangos ilgis yra silpnai sugeriamas tiriamajame objekte 8, pereina per optinio vėlinimo liniją ID, sklinda optiniu zondavimo kanalu 11, praeina per tiriamąjį objektą 8 ir registruojamas fotodetektoriumi FD2, patalpintu zondavimo kanale už tiriamojo bandinio. Zondavimo pluoštelis, sklisdamas per tiriamąjį puslaidininkį 8, kuriant žadinimo pluošteliai 6 ir 7 sukūrė erdviškai moduliuotą nepusiausvirųjų krūvininkų pasiskirstymą, difraguoja nuo šios struktūros, sukurdamas difragavusį pluoštelį 12, kuris registruojamas fotodetektoriumi FD3. Fotodetektorius FDI, patalpintas stiklo plokštele 3 atšakotoje kaupinimo kanalo dalyje 4, registruoja signalą, proporcingą kaupinimo energijai Eo. Fotodetektoriai FD1, FD2 ir FD3 perduoda proporcingus registruojamoms energijoms elektrinius signalus į elektroninį duomenų surinkimo bloką 13. Surinkti duomenys kompiuteriu matematiškai apdorojami ir suskaičiuojamas momentinis difrakcinis efektyvumas. Difrakcijos efektyvumas ( apibrėžiamas kaip difragavusiojo pluoštelio 12 energijos ir praėjusiojo pro tiriamąjį bandinį zondavimo pluoštelio energijų santykis ( = ID/IP, matuojamas fotodetektoriais FD3 ir FD2.
[0010] Spindulinės rekombinacijos slenksčio nustatymui yra matuojama ekspozicinė difrakcijos charakteristika, t.y. difrakcijos efektyvumo priklausomybė nuo kaupinimo energijos tankio, η = f(E). Vėlinimo įrenginiu 10 parinkus zondavimo pluoštelio 11 nulinį vėlinimą atžvilgiu kaupinančių spindulių 6 ir 7, matuojamas ir skaičiuojama difrakcinio efektyvumo vertė η1 fiksuotai kaupinimo pluoštelio energijai E1. Keičiant kaupinimo pluoštelio energiją intervale E1 ..... EK, matuojamos difrakcinio efektyvumo vertės η1 ηK, taip gaunama ekspozicinė charakteristika. Fig. 2. parodyta GaN epitaksinio sluoksnio ekspozicinė charakteristika. Priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos vertė Es nustatoma iš kaupinimo pluoštelio energijos vertės, prie kurios stebimas difrakcinio efektyvumo pilnas įsisotinimas. Pateiktame pavyzdyje ši vertė GaN epitaksiniame sluoksnyje yra lygi 1,3 mJ/cm2 Matavimai InxGa1-x N/GaN heterosandarose su skirtingu In kiekiu (x = 8 %, 10 % ir 15%) leido nustatyti Es vertes E = 1,8 mJ/cm2 (kai x = 8 %) ir E = 0,8 mJ/cm2 (kai x = 10 %). Bandinyje su 15 % In ši vertė kaupinimo energijos intervale iki E = 4 mJ/cm2 nebuvo pasiekta dėl didelio medžiagos defektiškumo.
[0011] Palyginus su analogu, pasiūlytas puslaidininkinių medžiagų priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos vertės nustatymo būdas yra paprastesnis ir universalesnis, nes nereikalauja specialaus bandinio briaunų paruošimo, spektrometrinės įrangos. Tai leidžia matavimus atlikti bet kurioje tiriamojo bandinio vietoje, t.y. skenuoti priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos pasiskirstymą tiriamoje medžiagoje. Siūlomas būdas tinka matavimams plačiame kaupinimo spinduliuotės spektriniame ruože, netgi visiškai priartinat kaupinimo bangos ilgį prie puslaidininkiui būdingos fotoemisijos linijos.
1. Priverstinės spinduliuotės slenkstinės energijos nustatymo puslaidininkiuose būdas, kuriame tiriamas puslaidininkinis kristalas optiškai kaupinamas impulsiniu lazerinės spinduliuotės pluošteliu, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad puslaidininkinį kristalą optiškai kaupina dviem koherentiškais impulsiniais lazerinės spinduliuotės pluošteliais, kuriais vienu metu apšviečia tiriamąjį objektą ir jame užrašo nepusiausvirųjų krūvininkų dinaminę gardelę, šią gardelę zonduoja kitu optiniu pluošteliu, matuoja dinaminės gardelės difrakcinį efektyvumą prie įvairių kaupinimo pluoštelio energijos tankių, ir priverstinės spinduliuotės slenkstinę energiją nustato pagal kaupinimo pluoštelio energijos vertę, prie kurios stebimas difrakcinio efektyvumo pilnas įsotinimas.
2. Būdas pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad matuoja dinaminės gardelės difrakcinio efektyvumo kinetiką prie įvairių kaupinimo pluoštelio energijos tankių ir priverstinės spinduliuotės slenkstinę energiją nustato pagal kaupinimo pluoštelio energijos vertę, prie kurios difrakcinio efektyvumo kinetikoje atsiranda greitoji irimo komponentė su relaksacijos laiku, atkartojančiu žadinančiojo pluoštelio impulso trukmę.